溢流表孔閘墩結構計算

黃 濤，程 鵬

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

泄洪建筑物是水利樞紐中的重要組成部分，溢流表孔是泄洪建筑物中的常見型式。為調節水庫蓄水量和下泄流量，很多水利水電工程中的溢流表孔設有閘門，而溢流表孔兩側的閘墩就成為支撐閘門及啟閉設備、分隔孔口、泄洪導流的重要結構[1- 2]。該結構的安全性是保障水利水電工程安全有效運行的關鍵。

對于設有多個溢流表孔的工程，單孔或隔孔開閘泄洪是常見的情況，此情況中的閘墩不僅受到自重及上部結構在垂直向的荷載作用，還受到不均衡的側向(橫河向)水推力和單側弧門推力作用，閘墩結構處于最不利的受力狀態，影響著溢流壩段整體結構的安全[3- 8]。因此本文結合老撾某水電站的溢流表孔中墩結構，采用材料力學法和有限元法，對溢流表孔單孔檢修閘門關閉時，以及單側孔泄洪時的工況進行靜力計算分析，為閘墩的結構安全設計提供參考和依據。

1 溢流表孔閘墩設計概況

1.1 工程概況

老撾某水電站泄水建筑物采用開敞式溢流表孔，布置在主河床右側，共布置5孔12m×18m溢流表孔：主河床布置2孔，右岸導流明渠內布置3孔，均采用WES實用堰，堰頂高程均為368.00m，中間為中隔墻壩段。中墩厚4m、邊墩厚度為3m，中隔墻壩段厚8.6m，溢流壩段總寬度為86.6m。孔口設有檢修平板門和弧形工作門，尺寸均為12m×18m，分別采用門機和液壓啟閉機控制。

閘墩采用簡單錨塊式支承結構，錨塊兩端伸出閘墩之外，弧形閘門的支鉸固定其上。由于弧門推力較大，該閘墩采用預應力錨索結構，在閘墩和錨塊中布置一定數量和形式的主、次錨索，對于中墩，主錨索張拉噸位為3000kN/根，布置6層4排(外排6根，內排3根)；次錨索張拉噸位為1800kN/根，布置5層3排。

該工程泄洪壩段上游立視、溢流壩中墩的幾何模型和預應力錨索布置如圖1—4所示。

圖2 溢流壩中墩三維幾何模型

圖1 溢流壩中墩幾何模型

圖3 中墩預應力錨索布置側視圖

圖4 中墩預應力錨索布置1- 1剖面

洪水頻率/%庫水位/m洪峰流量/(s·m-3)表孔開度1#2#3#4#5#表孔流量/(s·m-3)下游天然水/(s·m-3)203863364局局3030.93364.7753865378全全局局5044.93367.7823866710全全局局局6376.93369.5013867720全全全局全7720370.680.1388.9911100全全全全全11522.76374.20

表2 計算斷面及工況

1.2 計算工況

根據該工程可行性研究報告，溢流表孔典型試驗工況見表1。

根據表1中的溢流表孔泄洪試驗工況，對于中墩，考慮百年一遇設計洪水泄洪時，4#閘門關閉，其余閘門全開的工況，此時8#壩段中墩受到單側弧門推力和另一側橫河向水壓力的作用。在百年一遇設計洪水泄洪時，4#弧門局部開啟近4m才能滿足泄洪要求，但計算時令4#弧門完全關閉，忽略4#弧門局部開啟側側向動水壓力的作用。此外，計算中也忽略了下游水位對閘墩結構的影響。

閘墩泄洪水位根據水工模型試驗水面線，按設計、校核洪水位流量最高水面線選取。

2 材料力學法計算結果與分析

2.1 計算模型

沿閘墩縱向(水流方向)截取壩橫0+003.000、0+023.000、0+034.000三個斷面進行計算，材料力學法中，截取斷面為單位寬度；計算構件假定為底部固支的豎向懸臂梁結構，在閘墩自重和側向水壓力作用下，對結構底部截面按偏心受壓構件計算；截取單元為獨立受力結構，不考慮閘墩縱向剛度及相鄰壩段的約束作用。

中墩各計算斷面根據計算工況以及縱向高度較大和水位差較大的原則進行選取，見表2。

2.2 計算結果與分析

根據DL/T 5057—2009《水工混凝土結構設計規范》9.3、9.5和10.2[9]，采用材料力學法對構件進行正截面受壓承載力計算，閘墩兩側采用對稱配筋，計算結果見表3。

表3 材料力學法計算結果

表3中的計算結果表明，中墩各斷面構件截面受剪承載力均滿足規范要求；但閘墩作為一個偏心受壓構件，中墩底部單側需要配兩排間隔200mm的C32鋼筋，局部區域甚至需要配兩排間隔100mm的C32鋼筋，才能滿足閘墩結構的受力要求。由于中墩未考慮縱向閘墩的整體作用，計算得到的配筋值偏大，參照其他類似工程的配筋原則，計算結果過于保守。

在實際工作中，閘墩結構是受到自重、側向水推力、單側弧門推力、錨索預壓應力等多向荷載作用的空間結構，采用傳統的材料力學法進行的二維懸臂梁模型計算雖然能滿足實際工程的要求，但計算模型與實際差距較大，鋼筋沒有充分發揮作用，過量的配筋或者增加閘墩厚度也增加了工程造價。因此采用三維有限元方法模擬中墩的真實工作狀態，對相應工況進行對比計算分析。

3 有限元法計算結果與分析

3.1 計算模型及計算工況

為更真實地模擬閘墩的工作性狀，采用通用有限元分析軟件ANSYS14.5對閘墩進行結構計算。根據閘墩和溢流壩的結構選取8#壩段(中墩寬度為4m，閘墩兩側各向外取6m寬度的溢流壩段)進行模擬計算。該方法可以全面地模擬計算閘墩在單側水壓力、單側弧門推力、預應力錨索的綜合作用下，閘墩底部結構的應力狀態。模型中未考慮各壩段頂部結構對閘墩的作用及泄洪側溢流面上的動水壓力。

溢流壩段中墩及錨塊混凝土有限元網格采用八節點六面體實體單元solid65。預應力錨索根據預應力、錨索面積及作用位置的不同分為主、次兩種，在計算中以三維桿單元link180模擬錨索，通過初始應變法賦予單元初始應變以模擬預應力[10- 11]。

3.1.1 材料參數

計算模型中的材料參數見表4。

表4 計算模型材料參數表

3.1.2 作用荷載

(1)壩體和閘墩自重。

(2)閘門推力：單側垂直支鉸座面方向分力1.55×107N，與水平線夾角α=5°6′4"；每側支鉸座面的受力面積為2.0×2.0m，支鉸中心到閘墩邊墻距離為1.1m。

(3)主錨索預應力等效荷載：3000kN/根，共(6+3)×2=18根。

(4)次錨索預應力等效荷載：1800kN/根，共5×3根。

(5)根據水工模型試驗水面線，按設計、校核洪水位流量最高水面線施加側向水壓力。

3.1.3 邊界條件

假設溢流壩段閘墩底部與基巖完整結合，故將壩段底部各節點x、y、z三向的位移約束設置為0，溢流壩段截面橫河向位移設置為0，其余部分為外露部分，按自由位移考慮。

3.1.4 計算工況

與上一節材料力學方法對應，采用有限元法進行靜力結構計算，相應的工況見表5。

表5 有限元法計算工況

中墩有限元計算網格模型及側向水壓力作用示意圖如圖5所示。

圖5 中墩有限元模型示意圖

3.2 計算結果與分析

計算得到中墩的Z軸方向應力(垂直向)云圖和橫河向位移云圖如圖6—7所示。從圖6—7中可知，工況一時，由于中墩一側檢修閘門和弧門之間的側向水壓力作用面積較小，同時受到閘墩縱向剛度的制約，閘墩與溢流面交接的底部仍處于應力值較小的受壓狀態；中墩橫河向最大位移集中在上游頂部，最大值達到1mm。工況二時，最大Z向拉應力分布在中墩與溢流面交接的底部，除去局部應力集中點，大小為2～3MPa。隨著高程增加，閘墩橫河向位移也增加，最大位移為4.4～5.0mm。

圖6 工況一中墩結構應力位移云圖圖7 工況二中墩結構應力位移云圖

圖8 工況一中墩壩橫0+003.000斷面垂直向應力狀態(拉應力為正值)

分別截取中墩壩橫0+003.000、壩橫0+023.000、壩橫0+034.000三個斷面的Z軸方向(垂直向)應力云圖及底部應力值如圖8—10所示。

由圖6—10應力計算結果可以看出：工況一中，中墩受局部側向水壓力的作用下，由于作用面積較小，且受閘墩縱向剛度的制約，檢修門和弧門之間的閘墩混凝土仍處于壓應力狀態。工況二中，閘墩受到泄洪側側水壓力作用，閘墩一側底部有一定范圍的拉應力區存在，該區域開裂風險較大，拉應力區集中在閘墩中下部。

根據DL/T 5057—2009附錄D：非桿件體系鋼筋混凝土結構的線彈性應力圖形法配筋計算原則，根據圖8—10中圖b)的底部應力計算結果，進行垂直向的配筋計算。計算結果見表6。

從表6中的配筋結果可以看出，閘墩底部的配筋量相比于材料力學法的計算結果偏小，順河向單位寬度配置間隔200mm的C32鋼筋即可滿足結構要求。但參照類似工程的閘墩配筋原則及考慮最小配筋率，閘墩底部配筋量可適當增加。可見，計算模型的差異會在很大程度上影響計算結果，相比于傳統的材料力學法，三維有限元法對于閘墩空間結構的應力應變計算更加合理。

圖9 工況二中墩壩橫0+023.000斷面垂直向應力狀態(拉應力為正值)

圖10 工況二中墩壩橫0+034.000斷面垂直向應力狀態(拉應力為正值)

表6有限元法與材料力學法中墩底部配筋計算結果

4 結論

本文主要針對溢流壩段中墩結構，采用材料力學法和三維有限元法，分別計算閘墩結構在某單孔檢修閘門關閉時，檢修閘門與弧形閘門之間的閘墩區域，以及單側孔泄洪的工況下閘墩側向結構的應力應變狀態，并進行閘墩兩側縱向鋼筋的配筋計算，得到結論如下。

(1)溢流壩段在進行單孔或者隔孔泄洪時，由于受到側向水壓力的作用，閘墩底部與溢流面交接的區域拉、壓應力最大，結構設計時需對此區域進行加強配筋，以抵抗較大的拉應力，降低混凝土開裂風險。

(2)閘墩結構是受多向荷載作用的三維空間結構，采用傳統的材料力學法進行的懸臂梁模型計算雖然能滿足實際工程的要求，但由于計算模型與實際差距較大，閘墩底部的配筋計算結果偏保守。

(3)三維有限元法可以較全面地模擬閘墩的真實工作性態，計算得到中墩位移和應力結果均在合理范圍內，閘墩底部的配筋量相比于材料力學法的計算結果偏小，參照類似工程的閘墩配筋原則及考慮最小配筋率，閘墩底部配筋量可適當增加。

本文中的溢流壩段中墩計算模型未考慮下游水位、各壩段之間頂部結構的相互作用等影響閘墩側向結構計算的有利因素，故本文中的計算結果均略偏保守，可在下階段的結構設計中進一步完善和優化。